La vida del océano está en gran parte oculta a la vista. Monitorear lo que vive donde es costoso, por lo general requiere grandes botes, grandes redes, personal calificado y mucho tiempo. Una tecnología emergente que usa lo que se llama ADN ambiental supera algunas de esas limitaciones, proporcionando una forma rápida y asequible de descubrir qué hay debajo de la superficie del agua.
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Los peces y otros animales arrojan ADN al agua, en forma de células, secreciones o excretas. Hace unos 10 años, los investigadores en Europa demostraron por primera vez que pequeños volúmenes de agua de estanques contenían suficiente ADN flotante para detectar animales residentes.
Posteriormente, los investigadores han buscado eDNA acuático en múltiples sistemas de agua dulce, y más recientemente en entornos marinos mucho más grandes y complejos. Si bien el principio del eDNA acuático está bien establecido, apenas estamos comenzando a explorar su potencial para detectar peces y su abundancia en entornos marinos particulares. La tecnología promete muchas aplicaciones prácticas y científicas, desde ayudar a establecer cuotas de peces sostenibles y evaluar las protecciones para especies en peligro de extinción hasta evaluar los impactos de los parques eólicos en alta mar.
¿Quién está en el Hudson, cuándo?
En nuestro nuevo estudio, mis colegas y yo probamos qué tan bien el ADNc acuático podía detectar peces en el estuario del río Hudson que rodea la ciudad de Nueva York. A pesar de ser el estuario más urbanizado de América del Norte, la calidad del agua ha mejorado dramáticamente en las últimas décadas, y el estuario ha recuperado en parte su papel como hábitat esencial para muchas especies de peces. La salud mejorada de las aguas locales se destaca por la aparición regular en otoño de ballenas jorobadas que se alimentan de grandes bancos de menhaden del Atlántico en las fronteras del puerto de Nueva York, dentro del sitio del Empire State Building.
Preparándose para lanzar el cubo de recolección al río. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Nuestro estudio es el primer registro de la migración de primavera de peces oceánicos mediante la realización de pruebas de ADN en muestras de agua. Recolectamos muestras de agua de un litro (aproximadamente un cuarto de galón) semanalmente en dos sitios de la ciudad de enero a julio de 2016. Debido a que la costa de Manhattan está blindada y elevada, arrojamos un cubo con una cuerda al agua. Las muestras de invierno tenían poco o nada de ADNc de pescado. A principios de abril hubo un aumento constante en los peces detectados, con alrededor de 10 a 15 especies por muestra a principios del verano. Los hallazgos de eDNA coincidieron en gran medida con nuestro conocimiento existente sobre los movimientos de peces, que con mucho esfuerzo se obtuvieron de décadas de encuestas tradicionales de cerco.
Nuestros resultados demuestran la calidad de "Ricitos de oro" del ADNc acuático: parece durar la cantidad justa de tiempo para ser útil. Si desapareciera demasiado rápido, no podríamos detectarlo. Si durara demasiado, no detectaríamos diferencias estacionales y probablemente encontraríamos ADN de muchas especies de agua dulce y de océano abierto, así como también de los peces de estuario locales. La investigación sugiere que el ADN se descompone durante horas o días, dependiendo de la temperatura, las corrientes, etc.
En total, obtuvimos eDNA que coinciden con 42 especies de peces marinos locales, incluida la mayoría (80 por ciento) de las especies locales abundantes o comunes. Además, de las especies que detectamos, las especies abundantes o comunes se observaron con mayor frecuencia que las localmente poco comunes. El hecho de que la especie eDNA haya detectado observaciones tradicionales de peces comunes a nivel local en términos de abundancia es una buena noticia para el método: es compatible con eDNA como índice de números de peces. Esperamos que eventualmente podamos detectar todas las especies locales, recolectando volúmenes más grandes, en sitios adicionales en el estuario y a diferentes profundidades.
Peces identificados por eDNA en una muestra de un día del East River de la ciudad de Nueva York. (Departamento de Conservación Ambiental del Estado de Nueva York: alewife (especie de arenque), lubina rayada, anguila americana, mummichog; Departamento de Pesca y Caza de Massachusetts: lubina negra, pez azul, pejerrey del Atlántico; Asociación de Buceo de Nueva Jersey: oyste) Además de las especies marinas locales, también encontramos especies localmente raras o ausentes en algunas muestras. La mayoría eran peces que comemos: tilapia del Nilo, salmón del Atlántico, lubina europea ("branzino"). Especulamos que estos provienen de aguas residuales, a pesar de que el Hudson está más limpio, la contaminación de las aguas residuales persiste. Si así es como el ADN llegó al estuario en este caso, entonces sería posible determinar si una comunidad está consumiendo especies protegidas mediante el análisis de sus aguas residuales. Los exóticos restantes que encontramos fueron especies de agua dulce, sorprendentemente pocos debido a las grandes entradas diarias de agua dulce al estuario de agua salada desde la cuenca del Hudson.
Filtrando el agua del estuario en el laboratorio. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analizando el ADN desnudo
Nuestro protocolo utiliza métodos y equipos estándar en un laboratorio de biología molecular, y sigue los mismos procedimientos utilizados para analizar microbiomas humanos, por ejemplo.
Después de la recolección, procesamos muestras de agua a través de un filtro de tamaño de poro pequeño (0, 45 micras) que atrapa el material suspendido, incluidas las células y los fragmentos de células. Extraemos ADN del filtro y lo amplificamos usando la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La PCR es como "xeroxing" una secuencia de ADN particular, produciendo suficientes copias para que pueda analizarse fácilmente.
Apuntamos al ADN mitocondrial, el material genético dentro de las mitocondrias, el orgánulo que genera la energía de la célula. El ADN mitocondrial está presente en concentraciones mucho más altas que el ADN nuclear, por lo que es más fácil de detectar. También tiene regiones que son iguales en todos los vertebrados, lo que nos facilita la amplificación de múltiples especies.
El eDNA y otros desechos quedaron en el filtro después de que pasara el agua del estuario. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Etiquetamos cada muestra amplificada, agrupamos las muestras y las enviamos para la secuenciación de la próxima generación. El científico y coautor de la Universidad de Rockefeller, Zachary Charlop-Powers, creó la tubería bioinformática que evalúa la calidad de la secuencia y genera una lista de secuencias únicas y "números de lectura" en cada muestra. Esa es la cantidad de veces que detectamos cada secuencia única.
Para identificar especies, cada secuencia única se compara con las de la base de datos pública GenBank. Nuestros resultados son consistentes con el número de lectura que es proporcional al número de peces, pero se necesita más trabajo sobre la relación precisa del ADNc y la abundancia de peces. Por ejemplo, algunos peces pueden arrojar más ADN que otros. Los efectos de la mortalidad de los peces, la temperatura del agua, los huevos y las larvas de peces frente a las formas adultas también podrían estar en juego.
Al igual que en los programas de televisión sobre delitos, la identificación de ADN se basa en una base de datos completa y precisa. En un estudio piloto, identificamos especies locales que faltaban en la base de datos GenBank, o que tenían secuencias incompletas o no coincidentes. Para mejorar las identificaciones, secuenciamos 31 especímenes que representan 18 especies de colecciones científicas de la Universidad de Monmouth, y de tiendas de cebo y mercados de pescado. Este trabajo fue realizado en gran parte por el estudiante investigador y coautor Lyubov Soboleva, estudiante de último año de la escuela secundaria John Bowne en la ciudad de Nueva York. Depositamos estas nuevas secuencias en GenBank, aumentando la cobertura de la base de datos a aproximadamente el 80 por ciento de nuestras especies locales.
Los sitios de recolección del estudio en Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Nos centramos en los peces y otros vertebrados. Otros grupos de investigación han aplicado un enfoque de ADNc acuático a invertebrados. En principio, la técnica podría evaluar la diversidad de toda la vida animal, vegetal y microbiana en un hábitat particular. Además de detectar animales acuáticos, el ADNc refleja los animales terrestres en las cuencas hidrográficas cercanas. En nuestro estudio, el animal salvaje más común detectado en las aguas de la ciudad de Nueva York fue la rata marrón, un habitante urbano común.
Los estudios futuros podrían emplear vehículos autónomos para muestrear rutinariamente sitios remotos y profundos, lo que nos ayudará a comprender y administrar mejor la diversidad de la vida marina.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Mark Stoeckle, Investigador Asociado Senior en el Programa para el Medio Ambiente Humano, The Rockefeller University
